加速度傳感器原理與應(yīng)用簡介
1、什么是加速度傳感器
加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備。加速力就是當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是個(gè)常量，比如g，也可以是變量。
加速度計(jì)有兩種：一種是角加速度計(jì)，是由陀螺儀（角速度傳感器）的改進(jìn)的。另一種就是線加速度計(jì)。
2、加速度傳感器一般用在哪里
通過測量由于重力引起的加速度，你可以計(jì)算出設(shè)備相對于水平面的傾斜角度。通過分析動態(tài)加速度，你可以分析出設(shè)備移動的方式。但是剛開始的時(shí)候，你會發(fā)現(xiàn)光測量傾角和加速度好像不是很有用。但是，現(xiàn)在工程師們已經(jīng)想出了很多方法獲得更多的有用的信息。
加速度傳感器可以幫助你的機(jī)器人了解它現(xiàn)在身處的環(huán)境。是在爬山？還是在走下坡，摔倒了沒有？或者對于飛行類的機(jī)器人來說，對于控制姿態(tài)也是至關(guān)重要的。更要確保的是，你的機(jī)器人沒有帶著炸彈自己前往人群密集處。一個(gè)好的程序員能夠使用加速度傳感器來回答所有上述問題。加速度傳感器甚至可以用來分析發(fā)動機(jī)的振動。
目前最新IBM Thinkpad手提電腦里就內(nèi)置了加速度傳感器，能夠動態(tài)的監(jiān)測出筆記本在使用中的振動，并根據(jù)這些振動數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會智能的選擇關(guān)閉硬盤還是讓其繼續(xù)運(yùn)行，這樣可以最大程度的保護(hù)由于振動，比如顛簸的工作環(huán)境，或者不小心摔了電腦做造成的硬盤損害，最大程度的保護(hù)里面的數(shù)據(jù)。另外一個(gè)用處就是目前用的數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)里，也有加速度傳感器，用來檢測拍攝時(shí)候的手部的振動，并根據(jù)這些振動，自動調(diào)節(jié)相機(jī)的聚焦。
概括起來，加速度傳感器可應(yīng)用在控制，手柄振動和搖晃，儀器儀表，汽車制動啟動檢測，地震檢測，報(bào)警系統(tǒng)，玩具，結(jié)構(gòu)物、環(huán)境監(jiān)視，工程測振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析；鼠標(biāo)，高層建筑結(jié)構(gòu)動態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動偵察上。
3、加速度傳感器是如何工作的
線加速度計(jì)的原理是慣性原理，也就是力的平衡，A（加速度）=F（慣性力）/M（質(zhì)量）我們只需要測量F就可以了。怎么測量F？用電磁力去平衡這個(gè)力就可以了。就可以得到 F對應(yīng)于電流的關(guān)系。只需要用實(shí)驗(yàn)去標(biāo)定這個(gè)比例系數(shù)就行了。當(dāng)然中間的信號傳輸、放大、濾波就是電路的事了。
現(xiàn)代科技要求加速度傳感器廉價(jià)、性能優(yōu)越、易于大批量生產(chǎn)。在諸如軍工、空間系統(tǒng)、科學(xué)測量等領(lǐng)域，需要使用體積小、重量輕、性能穩(wěn)定的加速度傳感器。以傳統(tǒng)加工方法制造的加速度傳感器難以全面滿足這些要求。于是應(yīng)用新興的微機(jī)械加工技術(shù)制作的微加速度傳感器應(yīng)運(yùn)而生。這種傳感器體積小、重量輕、功耗小、啟動快、成本低、可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化。而且，由于微機(jī)械結(jié)構(gòu)制作精確、重復(fù)性好、易于集成化、適于大批量生產(chǎn)，它的性能價(jià)格比很高?？梢灶A(yù)見在不久的將來，它將在加速度傳感器市場中占主導(dǎo)地位。
微加速度傳感器有壓阻式、壓電式、電容式等形式。
·壓電式
壓電式傳感器是利用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)原理。敏感芯體質(zhì)量受振動加速度作用后產(chǎn)生一個(gè)與加速度成正比的力，壓電材料受此力作用后沿其表面形成與這一力成正比的電荷信號。壓電式加速度傳感器具有動態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅(jiān)固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號不需要任何外界電源等特點(diǎn)，是被最為廣泛使用的振動測量傳感器。雖然壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，商業(yè)化使用歷史也很長，但因其性能指標(biāo)與材料特性、設(shè)計(jì)和加工工藝密切相關(guān)，因此在市場上銷售的同類傳感器性能的實(shí)際參數(shù)以及其穩(wěn)定性和一致性差別非常大。與壓阻和電容式相比，其最大的缺點(diǎn)是壓電式加速度傳感器不能測量零頻率的信號。
·壓阻式
應(yīng)變壓阻式加速度傳感器的敏感芯體為半導(dǎo)體材料制成電阻測量電橋，其結(jié)構(gòu)動態(tài)模型仍然是彈簧質(zhì)量系統(tǒng)?，F(xiàn)代微加工制造技術(shù)的發(fā)展使壓阻形式敏感芯體的設(shè)計(jì)具有很大的靈活性以適合各種不同的測量要求。在靈敏度和量程方面，從低靈敏度高量程的沖擊測量，到直流高靈敏度的低頻測量都有壓阻形式的加速度傳感器。同時(shí)壓阻式加速度傳感器測量頻率范圍也可從直流信號到具有剛度高，測量頻率范圍到幾十千赫茲的高頻測量。超小型化的設(shè)計(jì)也是壓阻式傳感器的一個(gè)亮點(diǎn)。需要指出的是盡管壓阻敏感芯體的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有很大靈活性，但對某個(gè)特定設(shè)計(jì)的壓阻式芯體而言其使用范圍一般要小于壓電型傳感器。壓阻式加速度傳感器的另一缺點(diǎn)是受溫度的影響較大，實(shí)用的傳感器一般都需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在價(jià)格方面，大批量使用的壓阻式傳感器成本價(jià)具有很大的市場競爭力，但對特殊使用的敏感芯體制造成本將遠(yuǎn)高于壓電型加速度傳感器。
·電容式
電容型加速度傳感器的結(jié)構(gòu)形式一般也采用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。當(dāng)質(zhì)量受加速度作用運(yùn)動而改變質(zhì)量塊與固定電極之間的間隙進(jìn)而使電容值變化。電容式加速度計(jì)與其它類型的加速度傳感器相比具有靈敏度高、零頻響應(yīng)、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，尤其是受溫度的影響比較?。坏蛔阒幈憩F(xiàn)在信號的輸入與輸出為非線性，量程有限，受電纜的電容影響，以及電容傳感器本身是高阻抗信號源，因此電容傳感器的輸出信號往往需通過后繼電路給于改善。在實(shí)際應(yīng)用中電容式加速度傳感器較多地用于低頻測量，其通用性不如壓電式加速度傳感器，且成本也比壓電式加速度傳感器高得多。
4、在選購加速度傳感器的時(shí)候，需要考慮什么
·模擬輸出 VS 數(shù)字輸出：
這個(gè)是最先需要考慮的。這個(gè)取決于你系統(tǒng)中和加速度傳感器之間的接口。一般模擬輸出的電壓和加速度是成比例的，比如2.5V對應(yīng)0g的加速度，2.6V對應(yīng)于0.5g的加速度。數(shù)字輸出一般使用脈寬調(diào)制（PWM）信號。
如果你使用的微控制器只有數(shù)字輸入，比如BASIC Stamp，那你就只能選擇數(shù)字輸出的加速度傳感器了，但是問題是你必須占用額外的一個(gè)時(shí)鐘單元用來處理PWM信號，同時(shí)對處理器也是一個(gè)不小的負(fù)擔(dān)。
如果你使用的微控制器有模擬輸入口，比如PIC/AVR/OOPIC，你可以非常簡單的使用模擬接口的加速度傳感器，所需要的就是在程序里加入一句類似"acceleration=read_adc()"的指令，而且處理此指令的速度只要幾微秒。
·測量軸數(shù)量：
對于多數(shù)項(xiàng)目來說，兩軸的加速度傳感器已經(jīng)能滿足多數(shù)應(yīng)用了。對于某些特殊的應(yīng)用，比如UAV，ROV控制，三軸的加速度傳感器可能會適合一點(diǎn)。
·最大測量值：
如果你只要測量機(jī)器人相對于地面的傾角，那一個(gè)±1.5g加速度傳感器就足夠了。但是如果你需要測量機(jī)器人的動態(tài)性能，±2g也應(yīng)該足夠了。要是你的機(jī)器人會有比如突然啟動或者停止的情況出現(xiàn)，那你需要一個(gè)±5g的傳感器。
·靈敏度：
一般來說，越靈敏越好。越靈敏的傳感器對一定范圍內(nèi)的加速度變化更敏感，輸出電壓的變化也越大，這樣就比較容易測量，從而獲得更精確的測量值。
·帶寬：
這里的帶寬實(shí)際上指的是刷新頻率范圍。也就是說每秒鐘，傳感器會產(chǎn)生多少次讀數(shù)。對于一般只要測量傾角的應(yīng)用，50HZ的帶寬應(yīng)該足夠了，但是對于需要進(jìn)行動態(tài)性能，比如振動，你會需要一個(gè)具有上百HZ帶寬的傳感器。
·電阻/緩存機(jī)制：
對于有些微控制器來說，要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化，其連接的傳感器阻值必須小于10kΩ。比如Analog Devices's analog 加速度傳感器的阻值為32kΩ，在PIC和AVR控制板上無法正常工作，所以建議在購買傳感器前，仔細(xì)閱讀控制器手冊，確保傳感器能夠正常工作
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